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【新刊速览】张加毓:​钢包透气砖防钢液渗漏的数值模拟

时间:2023-08-18 来源: 浏览:

【新刊速览】张加毓:​钢包透气砖防钢液渗漏的数值模拟

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钢包透气砖防钢液渗漏的数值模拟
张加毓 1 ,娄文涛 1 ,邵品 2 ,朱苗勇 1
(1. 东北大学冶金学院, 辽宁 沈阳 110819;2. 辽宁科技大学材料与冶金学院, 辽宁 鞍山 114051)

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摘 要  

针对炼钢生产中存在的透气砖钢液渗漏堵塞问题,在新研发的透气砖防渗漏装备基础上,采用数值模拟方法对防渗漏所需的安全流量与透气砖结构和工艺参数之间的定量关系展开研究。研究结果表明,狭缝内近壁面函数模型对透气砖内的气流-压损具有重要影响,采用Non-Equilibrium Wall Function函数模型可以较好预测透气砖内的流动行为。随着透气砖狭缝宽度和长度的增加,透气砖防渗漏所需安全流量增大,相比于透气砖狭缝长度,透气砖狭缝宽度对安全流量的影响更为显著。随着狭缝条数增加,透气砖防渗漏的安全流量近线性增加,液面高度对防渗漏安全流量影响较小。最后基于因次分析方法,提出防渗漏装置安全流量的计算式,为钢包透气砖防渗漏技术开发应用提供重要理论基础。

02

关 键 词  

包; 狭缝型透气砖; 防渗漏; 数值模拟; 安全流量

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引 言 

钢包底吹氩因其成本低廉、操作简便、搅拌动力学优越,已成为炉外精炼技术运用最广泛的工艺,而透气砖作为钢包底吹氩工艺的关键功能性元件,其吹氩效果和使用寿命直接关系着钢水质量以及生产节奏、成本和安全。但透气砖在实际服役过程中,常因钢液渗透进入缝隙内部冷凝造成堵塞。为保证透气砖的透气性,需要每次在钢包倒渣后对透气砖砖面进行高温烧氧,以清除缝隙内部夹钢,而烧氧清理则是加快透气砖损毁的主要原因。目前,国内钢铁企业的底吹透气砖寿命仅为25炉次左右。即在一个钢包炉役期间需要被迫多次下线检修更换透气砖,这不仅造成大量的耐火材料、热量和人力资源消耗,而且严重影响生产效率和节奏。尤其在精炼过程中,透气砖夹钢堵塞后,极大恶化透气砖吹氩精炼效果,甚至需要中途更换钢包,导致严重的钢水二次污染和温度损失。因此,如何保证透气砖良好的透气性并大幅提升透气砖工作寿命,使其至少达到或超过钢包内衬(渣线)耐火材料的寿命,成为本行业领域需要解决的共性技术难题。
透气砖钢水渗漏堵塞是制约钢水底吹效率和透气砖寿命的重要因素之一。早期关于钢水渗漏方面的研究主要通过分析废弃透气砖试样内钢液渗透情况以及一些水模型试验展开,对于狭缝式透气砖,研究者多依据Barthel H提出的钢液向透气砖气孔渗透的模型来对缝隙宽度尺寸进行设计。TATSUYA O等对钢液侵入贯穿状况的基础试验研究发现,狭缝宽度、长度和狭缝表面粗糙度等因素对钢液的渗透具有重要影响。CHENG Z F等通过数学模型考虑了透气砖耐火材料粗糙度对钢包透气砖渗漏行为的影响。前人这些研究成果均对透气砖的狭缝结构和尺寸设计提供了重要的指导,但目前钢包热周转过程中的透气砖狭缝渗钢堵塞问题仍然没有得到解决。大量的生产实践表明,一般在透气砖狭缝内会产生5~40 mm长度不等的夹钢。究其原因是:为了保证实际生产所需底吹流量,透气砖狭缝宽度一般设置在0.12 mm以上,而透气砖本身狭缝所产生的毛细界面压力并不足以抵抗顶部的钢液静压力。
针对透气砖狭缝钢液渗漏堵塞问题,课题组研发了钢包透气砖防渗漏装备技术,目的是在不影响现有底吹氩精炼工艺条件下,在钢包底部设置防渗漏装置储气设备,使设备可以在钢包非吹氩阶段(如吊运、浇注)持续为透气砖释放氩气,确保透气砖在服役循环周期内保持为微正压,防止钢液和熔渣渗漏进入狭缝堵塞透气砖。装置充气口设置为快速接头,可以在钢包整备时期以及各精炼位置为防渗漏装置进行充压工作。这样不仅可以消除透气砖的渗钢现象,为底吹精炼效果提供基础保障,还可免除氧气清洗工序,大幅提升透气砖工作寿命。目前,课题组已分别在国内2个钢铁企业120 t和260 t钢包实施应用,生产实践表明通过此技术消除了狭缝渗钢现象,透气砖寿命可由25炉次提升到60炉次以上,寿命提升1倍以上。
理论上,防渗漏装置所提供的气体流量越大越有利于阻止钢液和熔渣渗漏,但流量过大时会在钢液液面形成较大渣圈,造成钢水的热量损失和二次污染,而气体流量过小时又无法有效阻止钢液和熔渣渗漏。为此,将能满足透气砖不发生渗漏时的最小流量定义为安全流量,其与透气砖狭缝数量、宽度、长度以及钢水液面高度等参数都有着直接关联,需要深入研究揭示其间规律。
本研究通过流体体积法(VOF)建立描述狭缝型透气砖微正压底吹过程的钢水渗漏行为数学模型,揭示防渗漏所需的安全流量与透气砖结构、工艺参数之间的定量关系,并基于因次分析方法,提出防渗漏装置安全流量的计算公式,为钢包透气砖防渗漏技术开发应用提供重要理论基础。

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精 选 图 表  

    

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结  论

1)建立了流体体积法(VOF)数学模型描述钢包透气砖狭缝处的钢液界面渗漏行为,当采用Non-Equilibrium Wall Function壁面函数时,数值模型预测的透气砖狭缝内气流-压损结果与实测结果吻合良好。
2)透气砖狭缝的宽度和长度都对防渗漏安全流量有着重要的影响,随着透气砖狭缝宽度和长度的增大,透气砖防渗漏所需安全流量增大,透气砖尺寸影响因素中宽度影响更为显著。
3)随着狭缝条数的增加,透气砖防渗漏的安全流量近线性增大。随着钢液液面高度的增加,透气砖入口所需压力增大,但对安全流量无明显影响。
4)结合因次分析,获得了透气砖防渗漏安全流量与透气砖狭缝数量、宽度、长度以及钢水液面高度之间的定量关系。

来源:《中国冶金》2023年第7期

END

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